高压绝缘设计
理论：气体放电与气隙电场
概述
绝缘物耐压明明足够，为什么用几年后会击穿？
固体绝缘物本身即使很强，内部若有小空洞（气隙）或剥离，里面就有空气。空气介电常数比固体低，电场容易集中，而且空气的绝缘强度只有固体的几分之一。所以即使整体有余量，也只在气隙内部放电，这就是局部放电。每次放电虽小，却逐渐侵蚀周围绝缘，树枝状劣化（电树）不断延伸，最终整体击穿。设计中用帕邢定律估算气体放电电压，与气隙分到的电压比较。
帕邢定律
p为气压（Torr），d为间隙（cm），γ为二次电子发射系数。用这组简单系数，1个大气压、10 mm均匀电场时为3.55 kV/mm，比实测约3 kV/mm略高。
气隙分到的电压
把垂直于电场的扁平气隙（厚t）视为与固体（厚d − t、相对介电常数ε_r）串联的电容。V_PDIV为局部放电起始电压。
帕邢1889年的实验
1889年，帕邢在空气、二氧化碳等气体中改变气压和电极间隙测量放电开始电压，证明它只由两者之积决定。后来汤森用电子撞击气体分子不断增殖的“电子雪崩”理论解释了这一关系。存在最小放电电压这一性质，至今在真空设备、飞机和航天器的电气设计中仍很重要。
算例
例1：空气间隙击穿电压
| 间隙 | 1个大气压 | 1个大气压（场强） | 海拔3,000 m | 海拔3,000 m（场强） |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 mm | 0.87 kV | 8.65 kV/mm | 0.68 kV | 6.75 kV/mm |
| 1 mm | 5.03 kV | 5.03 kV/mm | 3.73 kV | 3.73 kV/mm |
| 10 mm | 35.5 kV | 3.55 kV/mm | 25.8 kV | 2.57 kV/mm |
帕邢曲线最小值在pd = 0.84 Torr·cm时约305 V，相当于1个大气压下约11 μm的间隙。
例2：环氧树脂（厚2 mm、εr 4）中气隙的局部放电起始电压
| 气隙厚度 | 气隙分压比例 | 气隙击穿电压 | 局部放电起始电压 | 平均场强 |
|---|---|---|---|---|
| 0.05 mm | 9.3% | 552 V | 5.93 kV | 2.97 kV/mm |
| 0.1 mm | 17.4% | 865 V | 4.97 kV | 2.49 kV/mm |
| 0.2 mm | 30.8% | 1,423 V | 4.62 kV | 2.31 kV/mm |
环氧树脂本身能耐几十kV/mm，平均2.5 kV/mm左右就开始放电了。
固体击穿强度与局部放电起始场强完全是两回事。气隙介电常数低，气隙内电场约为周围的4倍，而那里的空气在约8 kV/mm时就会放电。气隙越大起始电压越低。所以高压部件最重要的对策是不产生气隙本身，例如真空浇注树脂排除气泡、防止界面剥离。另外在变频器驱动的电机中，陡峭的电压上升使电压集中在绕组端部，可能在绕组绝缘的小间隙中发生局部放电。局部放电起始电压基本要在产品检验中实测确认。
绝缘设计流程
- 确定最高电压、过电压和使用气压（海拔）。
- 用电场分析查找电极边角和三相点（导体·固体·空气交界）的电场集中。
- 按帕邢定律和标准确认电气间隙和爬电距离。
- 假定存在气隙估算局部放电起始电压，确保相对运行电压的余量。
- 在产品上测量局部放电，确认起始和熄灭电压。
“只在高原放电的电源”
某电源装置在平地试验没有问题，但只有安装在高海拔地区的发现了放电痕迹。电路板高压部的电气间隙是按平地气压设计的。海拔3,000 m附近气压约为七成，计算表明间隙1 mm的击穿电压下降约26%。再加上电极边角的电场集中，就在那里放电了。加大电气间隙并把边角倒圆降低场强后解决。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只凭固体击穿强度判断 | 局部放电劣化 | 按局部放电起始电压评估 |
| 按平地气压设计 | 高原放电 | 按使用气压计算 |
| 电极边角尖锐 | 局部电场集中 | 倒圆与均压 |
| 放任浇注气泡 | 气隙放电 | 真空浇注 |
| 忽略三相点 | 沿面放电 | 用电场分析确认 |
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